KR101543166B1 - 연료 전지 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

연료 전지 시스템 및 그 제어 방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템 제어 방법은, (a) 외기 온도와 연료 전지 온도를 모니터링하는 단계; (b) 연료 전지 시스템이 탑재된 차량이 키온되면, 연료 전지 시스템의 정지 기간, 상기 정지 기간 동안의 최대 외기 온도, 및 상기 정지 기간 동안의 최대 연료 전지 온도를 산출하는 단계; (c) 상기 정지 기간, 상기 최대 외기 온도, 및 상기 최대 스택 온도를 사용하여 키온 시각에서의 연료 전지의 가스 조성을 추정하는 단계; (d) 추정된 가스 조성에 따라 상기 연료 전지 시스템의 시동 조건을 설정하는 단계; 및 (e) 설정된 시동 조건에 따라 상기 연료 전지 시스템의 시동을 진행하는 단계;를 포함한다.

Description

연료 전지 시스템 및 그 제어 방법{FUEL CELL SYSTEM AND METHOD FOR CONTROLLING THEREOF}
본 발명은 연료 전지 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것으로서, 보다 특정적으로는, 정지 기간 동안의 연료 전지 내 가스 조성 변화를 반영한 가변적인 시동 조건이 적용되는 연료 전지 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
친환경 차량에 대한 관심과 필요성이 나날이 증대되는 추세에 있는데, 연료 전지를 사용하여 구동력을 얻는 연료 전지 차량이 대표적인 친환경 차량에 해당한다.
도 1은 연료 전지 차량에 탑재되는 종래 기술에 따른 연료 전지 시스템의 일 예를 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 1을 참조하면, 연료 전지 시스템(10)은, 연료 전지(11)와, 수소 탱크(12)와, 연료 전지(11)에 수소를 공급하는 수소 공급 유닛(13)과, 연료 전지(11)에 외부 공기를 공급하는 공기 공급 유닛(14)과, 연료 전지(11)로부터 질소, 수증기 등의 가스를 외부로 배출시키는 퍼지 밸브(15)와, 연료 전지 시스템(10)의 동작을 제어하는 연료 전지 콘트롤 유닛(16)을 포함한다.
연료 전지(11)는 수소극(11a) 및 공기극(11b)을 포함하며, 이 두 전극(11a, 11b)은 전해질막(11c)에 의해 분리되어 있다. 수소극(11a)에 공급된 수소가 공기극(11b)에 공급된 공기 중의 산소와 반응하여 전기 에너지가 생성되며, 이 전기 에너지가 차량의 구동 에너지로 사용된다.
연료 전지 시스템(10)이 정지 상태에 있을 때 연료 전지(11) 내의 가스 조성은 정지 기간에 따라 변화되는데, 도 2의 그래프는 연료 전지 내 가스 조성의 변화를 정지 기간에 따라 나타낸 것이다. 이 그래프에서, 가로축은 연료 전지 시스템의 정지 기간(shut-off duration)을 나타내며, 세로축은 정지 기간에 따른 연료 전지 내의 가스들의 농도(concentration)를 나타낸다.
도 2의 그래프를 살펴보면, 연료 전지 시스템(10)의 정지 기간은 초기 정지 기간(0-t1), 중기 정지 기간(t1-t2), 및 후기 정지 기간(t2 이후)으로 구분된다.
초기 정지 기간에, 연료 전지(11) 내의 잔류 수소가 시스템 배관에 잔류하는 산소와 반응하여 소멸됨으로써 연료 전지의 수소 농도는 점차 감소하는 한편 질소 농도는 점차 증가한다.
중기 정지 기간에, 연료 전지 내에 수소 및 산소가 존재하지 않는 반면 질소의 농도는 포화된다.
후기 정지 기간에, 시스템 부품들(예로써, 밸브, 또는 배관)에 존재하는 미세한 틈새를 통해 외부 공기가 연료 전지(11)에 유입됨으로써 연료 전지 내 산소 농도는 점차 증가하며, 이에 따라 질소의 농도는 점차 감소된다.
이처럼 연료 전지 내 가스 조성은 정지 기간에 따라 가변적임에도 불구하고, 일반적인 연료 전지 시스템에서는 그러한 연료 전지 내 가스 조성의 변화를 고려하지 않고 시동이 수행된다.
이러한 종래의 시동 방식에 의하면, 수소 농도가 낮은 상태에서 시동이 수행될 경우 국부적인 수소 부족에 의해 연료 전지의 열화가 발생될 수 있으며, 반대로 수소 농도가 과도하게 높은 상태에서 시동이 수행될 경우 과도한 수소 배출로 인해 연비 악화 및 안전도 저하 문제가 발생될 수 있다.
그리고, 이러한 종래의 시동 방식에 의하면, 정지 기간이 후기에 속할 경우 시동 전에 연료 전지 안으로 유입된 산소의 영향으로 공기극의 카본 촉매가 부식되는 문제가 발생될 수 있으며, 이러한 경우 연료 전지의 내구성이 저하될 수 밖에 없다.
따라서 본 발명의 목적은 연료 전지 내 가스 조성을 반영함 없이 일정한 시동 조건을 적용하는 종래의 연료 전지 시스템의 시동 방식에서 나타나는 전술한 문제점들을 해소하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 연료 전지 시스템 제어 방법으로서, (a) 외기 온도와 연료 전지 온도를 모니터링하는 단계; (b) 연료 전지 시스템이 탑재된 차량이 키온되면, 연료 전지 시스템의 정지 기간, 상기 정지 기간 동안의 최대 외기 온도, 및 상기 정지 기간 동안의 최대 연료 전지 온도를 산출하는 단계; (c) 상기 정지 기간, 상기 최대 외기 온도, 및 상기 최대 스택 온도를 사용하여 키온 시각에서의 연료 전지의 가스 조성을 추정하는 단계; (d) 추정된 가스 조성에 따라 상기 연료 전지 시스템의 시동 조건을 설정하는 단계; 및 (e) 설정된 시동 조건에 따라 상기 연료 전지 시스템의 시동을 진행하는 단계;를 포함하는 연료 전지 시스템 제어 방법을 제공한다.
상기 (c) 단계는, (c1) 상기 최대 연료 전지 온도를 사용하여 키오프 시각에 상기 연료 전지에 잔류한 수소의 소멸 시간을 산출하는 단계; 및 (c2) 상기 정지 기간이 상기 소멸 시간보다 작은 경우 상기 연료 전지는 키온 시각에 질소 및 잔류 수소로 구성된 제1 가스 조성을 갖는 것으로 추정하며, 상기 정지 기간이 상기 소멸 시간보다 큰 경우 키온 시각에 상기 연료 전지에 수소가 잔류하지 않는 것으로 추정하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 (c1) 단계에서 상기 소멸 시간은 상기 연료 전지 시스템의 메모리에 기 저장된 연료 전지 온도에 대한 소멸 시간을 나타내는 테이블로부터 산출될 수 있다.
상기 (c2) 단계에서 상기 정지 기간이 상기 소멸 시간보다 작은 경우 키온 시각에 상기 연료 전지에 잔존하는 수소의 농도는 상기 소멸 시간과 상기 정지 기간 차이 값으로부터 산출될 수 있다.
상기 (c) 단계는, (c3) 키온 시각에 상기 연료 전지에 수소가 잔류하지 않는 것으로 추정되는 경우, 상기 최대 외기 온도 조건에서 외부 공기가 상기 연료 전지에 도달할 때까지 소요되는 외기 도달 시간을 산출하는 단계; 및 (c4) 상기 정지 기간이 상기 외기 도달 시간보다 작은 경우에는 키온 시각에 상기 연료 전지가 질소 만으로 구성된 제2 가스 조성을 갖는 것으로 추정하며, 상기 정지 기간이 상기 외기 도달 시간보다 큰 경우에는 키온 시각에 상기 연료 전지가 질소 및 유입 산소로 구성된 제3 가스 조성을 갖는 것으로 추정하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 (c3) 단계에서, 상기 최대 외기 온도 조건에서의 상기 외기 도달 시간은 상기 연료 전지 시스템의 메모리에 기 저장된 외기 온도에 따른 외기 도달 시간을 나타내는 테이블로부터 산출될 수 있다.
상기 (c3) 단계에서, 상기 최대 외기 온도 조건에서의 상기 외기 도달 시간은 하기의 수식을 사용하여 산출될 수 있으며, 이 수식에서, t2는 최대 외기 온도 조건에서의 외기 도달 시간, k는 연료 전지 시스템의 설계 사양에 따른 보정 상수, TM는 최대 외기 온도, TR는 기 설정된 기준 온도, tR는 기준 온도에서 기 산출된 외기 도달 시간이다.
t2 = k × (TM/TR)1/2 × tR
상기 (d) 단계에서, 추정된 가스 조성에 따라 연료 전지 시스템의 시동 기간에 수행될 퍼지량이 가변적으로 설정될 수 있다.
상기 (d) 단계에서, 상기 제1 가스 조성에 대한 제1 퍼지량보다 상기 제2 가스 조성에 대한 제2 퍼지량이 더 크게 설정되며, 상기 제2 퍼지량보다는 상기 제3 가스 조성에 대한 제3 퍼지량이 더 크게 설정될 수 있다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템 제어 방법에 의하면 연료 전지 내 가스 조성을 반영하여 시동 조건이 결정됨으로써 다음과 같은 이점들이 얻어질 수 있다.
우선, 잔류 수소량에 적합한 크기의 퍼지량을 설정하여 연료 전지 시스템의 시동을 진행하므로, 시동 기간에 퍼지 수행에 의해 연료 전지로부터 배출되는 수소량을 최소화할 수 있으며, 이에 따라 차량의 연비를 개선할 수 있을 뿐만 아니라 과도한 수소 배출에 따른 안전성 저하 문제를 해소할 수 있다. 또한, 연료 전지 시스템의 시동이 완료된 시점에서 연료 전지 내의 수소량을 실질적으로 일정하게 유지할 수 있으므로, 연료 전지 전압을 안정적으로 유지할 수 있으며 국부적인 수소 부족에 의한 연료 전지의 열화를 방지할 수 있다.
더불어, 키온 시각에 연료 전지 내에 유입 산소가 있는지 여부를 미리 예측할 수 있으며, 따라서 시동을 진행하기에 앞서 고전위 억제 프로세스 실행 여부를 미리 결정할 수 있다. 따라서, 연료 전지가 유입 산소에 기인한 고전압으로 인해 부식되는 것을 신뢰성 있게 방지할 수 있으며 이에 따라 연료 전지의 내구성 개선을 기대할 수 있다.
도 1은 연료 전지 차량에 탑재되는 종래 기술에 따른 연료 전지 시스템의 일 예를 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 2는 연료 전지 내 가스 조성의 변화를 정지 시간에 따라 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템 제어 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)은, 연료 전지(110)와, 수소 탱크(120)와, 수소 탱크(120)에 저장된 수소를 연료 전지(110)에 공급하는 수소 공급 유닛(130)과, 외부 공기를 연료 전지(110)에 공급하는 공기 공급 유닛(140)과, 연료 전지(110)로부터 질소, 수증기 등의 불필요한 가스를 배출시키기 위한 퍼지 밸브(150)와, 연료 전지 시스템(100)의 동작을 제어하는 연료 전지 콘트롤 유닛(160)과, 연료 전지 시스템의 제어에 필요한 각종 정보가 저장되는 메모리(170)를 포함한다.
연료 전지(110)는 스택 형태로 적층된 복수의 연료 전지 셀들을 포함하며, 따라서 연료 전지(110)는 '연료 전지 스택'이라는 명칭으로 종종 불려지곤 한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 연료 전지(110)의 각 셀은 전해질막(113)에 의해 상호 분리된 수소극(111)과 공기극(112)을 포함한다. 여기서, 수소극은 애노드(anode) 또는 연료극이라는 명칭으로 지칭되기도 하며, 공기극은 캐소드(cathode) 또는 산소극이라는 명칭으로 지칭되기도 한다.
수소 탱크(120)에 저장된 수소는 수소 공급 유닛(130)에 의해 연료 전지(110)의 수소극(111)에 공급되며, 산소를 포함한 외부 공기는 공기 공급 유닛(140)에 의해 연료 전지(110)의 공기극(112)에 공급된다. 수소극(111)에 공급된 수소가 공기극(112)에서 산소와 반응함으로써 전기 에너지가 생성되며, 이 전기 에너지가 차량 구동 에너지로 사용한다.
퍼지 밸브(150)는 연료 전지(110) 내에 존재하는 수증기, 질소와 같이 불필요한 가스들을 연료 전지(110) 밖으로 배출시킨다. 퍼지 밸프(150)에 의한 가스 퍼지 과정에서 수소극(111)에 존재하는 수소의 일부도 함께 배출되므로, 가스 퍼지량의 조절은 연비와 안전성 측면에서 중요한 요소이다.
연료 전지 콘트롤 유닛(160)은 수소 공급 유닛(130), 공기 공급 유닛(140), 및 퍼지 밸브(150) 등 연료 전지 시스템(100)의 세부 구성들을 제어함으로써 연료 전지 시스템(100)의 동작을 제어한다.
특히, 연료 전지 콘트롤 유닛(160)은 정지 기간(shut-off duration)에 따른 연료 전지 내 가스 조성의 변화를 반영하여 시동 조건을 결정함으로써, 그와 같은 가스 조성의 변화를 반영하지 않고 일정한 시동 조건을 적용하는 종래의 연료 전지 시스템에서 나타날 수 있는 문제점들(연비 악화, 안전성 저하, 내구성 저하)을 해소할 수 있다.
도 4를 참조하여 연료 전지 콘트롤 유닛(160)에 의해 수행되는 연료 전지 시스템 제어 방법에 대해 보다 구체적으로 설명하기로 한다. 도 4는 연료 전지 콘트롤 유닛(160)에 의해 수행되는 연료 전지 시스템 제어 방법의 실시예를 나타낸 흐름도이다.
먼저, S10 단계에서 연료 전지 콘트롤 유닛(160)은 외기 온도 및 연료 전지 온도를 모니터링한다. 이때, 외기 온도는 차량에 일반적으로 구비되는 외기 온도 측정용 온도 센서로 측정될 수 있다. 연료 전지 온도는 연료 전지(110)에 부착된 별도의 온도 센서에 의해 측정될 수도 있고, 대안적으로 연료 전지의 냉각을 위한 순환 냉매(예로써, 냉각수)의 온도 측정을 통해 간접적으로 측정될 수도 있다.
S20 단계에서 연료 전지 콘트롤 유닛(160)은 연료 전지 시스템(100)이 탑재된 차량의 키온(key-on) 여부를 판단한다. 그 결과, 키온(key-on)되지 않은 것으로 판단되면 전술한 S10 단계를 지속하며, 키온(key-on)된 것으로 판단되면 S30 단계에서 키온 시각(ton)을 메모리(170)에 기록한 후 S40 단계를 진행한다.
S40 단계에서 연료 전지 콘트롤 유닛(160)은 연료 전지 시스템(100)의 정지 기간(shut-off duration), 그 정지 기간 동안의 최대 외기 온도, 및 그 정지 기간 동안의 최대 연료 전지 온도를 산출한다.
여기서, 최대 외기 온도 및 최대 연료 전지 온도는 전술한 S10 단계에서 얻어지는 모니터링 값들로부터 쉽게 산출될 수 있다.
한편, 후술하는 S90 및 S100 단계로부터 알 수 있듯이, 차량이 키오프(key-off)될 경우 키오프 시각(toff)이 메모리(170)에 기록된다. 따라서, 연료 전지 콘트롤 유닛(160)은 메모리(170)에 저장되어 있는 키오프 시각(toff) 및 키온 시각(ton)을 사용하여 연료 전지 시스템(100)의 정지 기간(tp)을 산출할 수 있다. 구체적으로, 하기의 수식 ①에 의해 정지 기간(tp)이 산출될 수 있다.
tp = ton - toff (수식 ①)
S50 단계에서 연료 전지 콘트롤 유닛(160)은 S40 단계에서 산출된 정지 기간, 최대 외기 온도, 및 최대 연료 전지 온도를 사용하여 연료 전지(110) 내의 가스 조성을 추정한다.
도 2를 다시 참조하면, 정지 기간(tp)은 초기 정지 기간(0-t1), 중기 정지 기간(t1-t2), 및 후기 정지 기간(t2 이후)으로 구분된다. S50 단계는 정지 기간(tp)이 초기 정지 기간(0-t1)의 범위에 속하는지 여부를 결정하는 단계('S51'이라 함), 및 정지 기간(tp)이 후기 정지 기간(t2 이후)의 범위에 속하는지 여부를 결정하는 단계('S52'라 함)로 구분된다.
S51 단계에서, 연료 전지 콘트롤 유닛(160)은 연료 전지(110) 내 잔류 수소가 유입 산소와의 반응을 통해 소멸하는데 필요한 최소의 시간, 이른 바, 수소 소멸 시간(t1)을 산출한다.
일반적으로 키오프 시각(toff)에 잔류 수소의 양은 실질적으로 일정하며, 그 잔류 수소의 소멸 속도는 연료 전지 온도에 비례한다. 따라서, 수소 소멸 시간(t1)을 결정하는 유일한 변수는 연료 전지 온도가 되며, 이에 기초하여 수소 소멸 시간(t1)은 연료 전지 온도를 사용하여 산출될 수 있다. 본 실시예에서는, 초기 정지 기간에 수소가 소멸된다는 점을 고려하여, 정지 기간 내에서의 최대 연료 전지 온도를 사용하여 수소 소멸 시간(t1)을 산출한다. 또한, 최대 연료 전지 온도에 대한 수소 소멸 시간(t1)을 나타낸 테이블을 메모리(170)에는 미리 저장하여 사용할 수도 있다.
수소 소멸 시간(t1)을 산출한 후, 연료 전지 콘트롤 유닛(160)은 그 수소 소멸 시간(t1)을 앞서 산출된 정지 기간(tp)과 비교한다.
비교 결과 만약 정지 기간(tp)이 수소 소멸 시간(t1)보다 작은 경우, 정지 기간(tp)은 전술한 초기 정지 기간(0-t1)의 범위에 속하는 것으로 추정되며 따라서 연료 전지(110)는 질소 및 수소로 구성된 가스 조성(제1 가스 조성)을 갖는 것으로 추정된다(도 2의 그래프 참조). 이때, 키온 시각(ton)에 연료 전지(110) 잔류하는 수소의 농도는 수소 소멸 시간(t1)과 정지 기간(tp) 사이의 차이로부터 산출될 수 있다. 당연히 잔류 수소의 양은 그 차이 값에 비례함을 쉽게 이해할 수 있다.
비교 결과 만약 정지 기간(tp)이 수소 소멸 시간(t1)보다 큰 경우, 정지 기간(tp)은 전술한 초기 정지 기간(0-t1)의 범위를 벗어나는 것으로 추정되며 따라서 연료 전지(110)에는 잔류 수소가 존재하지 않는 것으로 추정된다(도 2의 그래프 참조). 이때, 연료 전지 콘트롤 유닛(160)은 정지 기간(tp)이 후기 정지 기간(t2 이후)의 범위에 속하는지 여부를 결정하기 위해 S52 단계를 진행한다.
S52 단계에서, 우선 연료 전지 콘트롤 유닛(160)은 최대 외기 온도(TM)의 조건에서 외부 공기가 확산에 의해 연료 전지(110)에 도달할 때까지 소요되는 외기 도달 시간(t2)을 산출한다. 이때, 최대 외기 온도(TM)의 조건에서 외기 도달 시간(t2)을 산출하는 이유는 유입 산소에 대한 최악의 경우를 대비하여 시스템 안정성을 높이기 위함이다.
공지의 기체 확산 속도와 기체 온도 간의 관계로부터 상기 외기 도달 시간(t2)은 외기 온도의 제곱근에 비례함을 이해할 수 있다. 이로부터 하기의 수식 ②가 도출될 수 있으며, 이 수식 ②를 사용하여 최대 외기 온도에서의 외기 도달 시간(t2)을 산출할 수 있다.
t2 = k × (TM/TR)1/2 × tR (수식 ②)
이 수식 ②에서, TM는 최대 외기 온도이고, t2는 최대 외기 온도(TM) 조건에서의 외기 도달 시간이고, k는 연료 전지 시스템의 설계 사양에 따른 보정 상수이며, TR는 기 설정된 기준 온도이며, tR는 기준 온도(TR)에서 산출된 외기 도달 온도이다. 이때, tR은 기준 온도(TR)(예로써 25 ℃)에서 테스트를 수행함으로써 미리 산출될 수 있다.
대안적으로, 외기 온도 값들에 대한 외기 도달 시간(t2)을 나타내는 테이블을 메모리(170)에 미리 저장해 두고 그 테이블을 사용하여 최대 외기 온도(TM)에 대응하는 을 얻을 수도 있다.
외기 도달 시간(t2)을 산출한 후, 연료 전지 콘트롤 유닛(160)은 그 외기 도달 시간(t2)을 S40 단계에서 산출된 정지 기간(tp)과 비교한다.
비교 결과 만약 정지 기간(tp)이 외기 도달 시간(t2)보다 작다면, 정지 기간(tp)은 전술한 중기 정지 기간(t1-t2)의 범위에 속하는 것으로 추정되며, 이에 따라 키온 시각(ton)에 연료 전지(110)는 유입 산소 없이 포화 질소로만 구성된 가스 조성(제2 가스 조성)을 갖는 것으로 또한 추정된다(도 2의 그래프 참조).
비교 결과 만약 정지 기간(tp)이 외기 도달 시간(t2)보다 크면, 정지 기간(tp)은 전술한 후기 정지 기간(t2 이후)의 범위에 속하는 것으로 추정되며, 이에 따라 키온 시각(ton)에 연료 전지(110)는 질소 및 유입 산소로 구성된 가스 조성(제3 가스 조성)을 갖는 것으로 추정된다(도 2의 그래프 참조).
S60 단계에서, 연료 전지 콘트롤 유닛(160)은 S50 단계에서 추정된 가스 조성에 기초하여 연료 전지 시스템(100)의 시동 조건을 결정한다.
만약, 연료 전지(110)가 제1 가스 조성(수소 및 질소로 구성)을 갖는 것으로 추정된 경우, 연료 전지 콘트롤 유닛(160)은 시동 조건으로서 제1 퍼지량을 설정한다. 이때, 제1 퍼지량은 키온 시각(ton)에서의 잔류 수소량에 반비례하는 크기를 갖도록 설정되되, 시동 완료 시점에서 연료 전지 내 수소 농도가 노멀 운전에 요구되는 목표 수소 농도에 도달할 수 있도록 설정된다.
만약, 연료 전지(110)가 전술한 제2 가스 조성(질소 만으로 구성)을 갖는 것으로 추정된 경우, 연료 전지 콘트롤 유닛(160)은 시동 조건으로서 제2 퍼지량을 설정한다. 이때, 제2 퍼지량은 시동 완료 시점에서 연료 전지 내 수소 농도가 노멀 운전에 요구되는 목표 수소 농도에 도달할 수 있도록 설정되며, 연료 전지 내에 잔류 수소가 없음을 고려하여 제2 퍼지량은 제1 퍼지량보다 크게 설정된다.
만약, 연료 전지(110)가 전술한 제3 가스 조성(질소와 산소로 구성)을 갖는 것으로 추정되는 경우, 연료 전지 콘트롤 유닛(160)은 시동 조건으로서 제3 퍼지량을 설정한다. 이때, 제3 퍼지량은 시동 완료 시점에서 연료 전지 내 수소 농도가 노멀 운전에 요구되는 목표 수소 농도에 도달할 수 있도록 설정될 수 있다. 다만, 연료 전지(112)에 유입된 산소가 충분히 제거될 수 있도록, 제3 퍼지량은 전술한 제2 퍼지량보다 좀 더 크게 설정될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 연료 전지(112)에 유입된 산소는 연료 전지(110)의 공기극(112)에 내재된 카본 촉매의 부식을 초래할 수 있다.
추가적으로, 연료 전지(110)가 전술한 제3 가스 조성(질소와 산소로 구성)을 갖는 것으로 추정되는 경우, 연료 전지 콘트롤 유닛(160)은 공기극(112)의 부식을 방지하기 위한 기 공지된 고전위 노출억제 프로세스를 시동 기간에 실행할 것을 추가적으로 결정할 수 있다.
S70 단계에서 연료 전지 콘트롤 유닛(160)은 S60 단계에서 결정된 시동 조건을 적용하여 연료 전지 시스템(100)의 시동을 진행하며, S80 단계에서 차량이 키오프(key-off)될 때까지 연료 전지 시스템(100)에 대한 노멀 운전을 진행한다.
이후, S90 단계에서 차량이 키오프(key-off)된 것으로 판단되면, 연료 전지 콘트롤 유닛(160)은 S100 단계에서 메모리(170)에 키오프 시각(toff)을 기록한 후, S110 단계에서 연료 전지 시스템(110)을 정지시킨다. 그리고, 전술한 S10 단계로 돌아가서 외기 온도와 연료 전지 온도의 모니터링을 재개한다.
이상 설명한 연료 전지 내 가스 조성을 반영하는 본 실시예의 연료 전지 시스템 제어 방법에 의하면, 다음과 같은 이점들을 얻을 수 있다.
우선, 잔류 수소량에 적합한 크기의 퍼지량을 설정하여 연료 전지 시스템의 시동을 진행하므로, 시동 기간에 퍼지 수행에 의해 연료 전지로부터 배출되는 수소량을 최소화할 수 있으며, 이에 따라 차량의 연비를 개선할 수 있을 뿐만 아니라 과도한 수소 배출에 따른 안전성 저하 문제를 해소할 수 있다. 또한, 연료 전지 시스템의 시동이 완료된 시점에서 연료 전지 내의 수소량을 실질적으로 일정하게 유지할 수 있으므로, 연료 전지 전압을 안정적으로 유지할 수 있으며 국부적인 수소 부족에 의한 연료 전지의 열화를 방지할 수 있다.
더불어, 키온 시각에 연료 전지 내에 유입 산소가 있는지 여부를 미리 예측할 수 있으며, 따라서 시동을 진행하기에 앞서 고전위 억제 프로세스 실행 여부를 미리 결정할 수 있다. 따라서, 연료 전지가 유입 산소에 기인한 고전압으로 인해 부식되는 것을 신뢰성 있게 방지할 수 있으며 이에 따라 연료 전지의 내구성 개선을 기대할 수 있다.
100 : 연료 전지 시스템
110 : 연료 전지
111 : 수소극
112 : 공기극
150 : 퍼지 밸브
160 : 연료 전지 콘트롤 유닛

Claims (9)

  1. 연료 전지 시스템 제어 방법에 있어서,
    (a) 외기 온도와 연료 전지 온도를 모니터링하는 단계;
    (b) 연료 전지 시스템이 탑재된 차량이 키온되면, 연료 전지 시스템의 정지 기간, 상기 정지 기간 동안의 최대 외기 온도, 및 상기 정지 기간 동안의 최대 연료 전지 온도를 산출하는 단계;
    (c) 상기 정지 기간, 상기 최대 외기 온도, 및 상기 최대 스택 온도를 사용하여 키온 시각에서의 연료 전지의 가스 조성을 추정하는 단계;
    (d) 추정된 가스 조성에 따라 상기 연료 전지 시스템의 시동 조건을 설정하는 단계; 및
    (e) 설정된 시동 조건에 따라 상기 연료 전지 시스템의 시동을 진행하는 단계;를 포함하는 연료 전지 시스템 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 (c) 단계는,
    (c1) 상기 최대 연료 전지 온도를 사용하여 키오프 시각에 상기 연료 전지에 잔류한 수소의 소멸 시간을 산출하는 단계; 및
    (c2) 상기 정지 기간이 상기 소멸 시간보다 작은 경우 상기 연료 전지는 키온 시각에 질소 및 잔류 수소로 구성된 제1 가스 조성을 갖는 것으로 추정하며, 상기 정지 기간이 상기 소멸 시간보다 큰 경우 키온 시각에 상기 연료 전지에 수소가 잔류하지 않는 것으로 추정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템 제어 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 (c1) 단계에서, 상기 소멸 시간은 상기 연료 전지 시스템의 메모리에 기 저장된 연료 전지 온도에 대한 소멸 시간을 나타내는 테이블로부터 산출되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템 제어 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 (c2) 단계에서 상기 정지 기간이 상기 소멸 시간보다 작은 경우 키온 시각에 상기 연료 전지에 잔존하는 수소의 농도는 상기 소멸 시간과 상기 정지 기간 차이 값으로부터 산출되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템 제어 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 (c) 단계는,
    (c3) 키온 시각에 상기 연료 전지에 수소가 잔류하지 않는 것으로 추정되는 경우, 상기 최대 외기 온도 조건에서 외부 공기가 상기 연료 전지에 도달할 때까지 소요되는 외기 도달 시간을 산출하는 단계; 및
    (c4) 상기 정지 기간이 상기 외기 도달 시간보다 작은 경우에는 키온 시각에 상기 연료 전지가 질소 만으로 구성된 제2 가스 조성을 갖는 것으로 추정하며, 상기 정지 기간이 상기 외기 도달 시간보다 큰 경우에는 키온 시각에 상기 연료 전지가 질소 및 유입 산소로 구성된 제3 가스 조성을 갖는 것으로 추정하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템 제어 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 (c3) 단계에서, 상기 최대 외기 온도 조건에서의 상기 외기 도달 시간은 상기 연료 전지 시스템의 메모리에 기 저장된 외기 온도에 따른 외기 도달 시간을 나타내는 테이블로부터 산출되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템 제어 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 (c3) 단계에서, 상기 최대 외기 온도 조건에서의 상기 외기 도달 시간은 하기의 수식을 사용하여 산출되는 것을 특징으로 하며,
    t2 = k × (TM/TR)1/2 × tR
    상기 수식에서, t2는 최대 외기 온도 조건에서의 외기 도달 시간, k는 연료 전지 시스템의 설계 사양에 따른 보정 상수, TM는 최대 외기 온도, TR는 기 설정된 기준 온도, tR는 기준 온도에서 기 산출된 외기 도달 시간인, 연료 전지 시스템 제어 방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 (d) 단계에서, 추정된 가스 조성에 따라 연료 전지 시스템의 시동 기간에 수행될 퍼지량이 가변적으로 설정되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템 제어 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 (d) 단계에서, 상기 제1 가스 조성에 대한 제1 퍼지량보다 상기 제2 가스 조성에 대한 제2 퍼지량이 더 크게 설정되며, 상기 제2 퍼지량보다는 상기 제3 가스 조성에 대한 제3 퍼지량이 더 크게 설정되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템 제어 방법.
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